WO2013117210A1 - Reibungsoptimierte oberflächenausführung von graugussbauteilen - Google Patents

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WO2013117210A1
WO2013117210A1 PCT/EP2012/005369 EP2012005369W WO2013117210A1 WO 2013117210 A1 WO2013117210 A1 WO 2013117210A1 EP 2012005369 W EP2012005369 W EP 2012005369W WO 2013117210 A1 WO2013117210 A1 WO 2013117210A1
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friction
cast iron
iron component
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optimized surface
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PCT/EP2012/005369
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Jens Boehm
Hans-Juergen Fuesser
Martin Hartweg
Tobias Hercke
Axel Heuberger
Günter RAU
Stefan Schweickert
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Daimler Ag
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/30—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the invention relates to a gray cast iron component whose surface is friction-optimized for interaction with a friction partner and to a method for friction-optimizing surface treatment of a raceway for a friction partner of such a cast iron component.
  • Friction of components that interact with a friction partner to optimize are, for example, the pairing of cylinders and pistons, the interaction of which is of highest relevance with regard to the overall performance of an internal combustion engine, in particular also from an ecological and economic point of view.
  • the oil consumption of an internal combustion engine is essentially determined by the friction caused by
  • Friction partner lets quasi float up and thus ideally reduces the friction.
  • DE 10 2007 008 604 A1 describes a method which is intended to enable comprehensive close-to-series, non-destructive quality assurance of surfaces, in particular of honed cylinder liners.
  • a Strukturtren ⁇ voltage setpoint and error characteristics in particular the setpoint and error structures, separated, by dissecting an original picture.
  • measured 3D data or 3D images are further processed.
  • Relevant parameters are extracted from the original image and the quality assurance of the honed cylinder liners of all types is to be made possible by objective evaluation of functionally relevant structural elements with parameters.
  • This object is achieved by a method for friction-optimizing surface treatment of a raceway for a friction partner of a cast iron component with the features of claim 1 and by a cast iron component having the features of claim 3, which has a friction-optimized surface of a raceway for a friction partner.
  • the surface treatment of the track of the cast iron component preferably takes place mechanically, preferably by machining, more preferably by honing.
  • the cast iron component according to the invention has a friction-optimized surface of a raceway for a friction partner, wherein the desired surface properties result from a predetermined reduced peak height, which is in the range of 0.05 to 0.4 ⁇ , and further by a Kernrauhtiefe in the range of 0.1 to 0.7 ⁇ , and a reduced groove depth from 0.1 to 0.8 ⁇ .
  • a predetermined reduced peak height which is in the range of 0.05 to 0.4 ⁇
  • a Kernrauhtiefe in the range of 0.1 to 0.7 ⁇
  • a reduced groove depth from 0.1 to 0.8 ⁇ .
  • Friction of friction of the co-operating friction partners is achieved.
  • a groove volume which is in the range of 10,000 to 35,000 m 3 / mm 2 , and a metal jacket volume of 500 to 5000 ⁇ 3 / ⁇ 2 .
  • the component according to the invention is made of gray cast iron, it can be a
  • Be cylinder crankcase or a piston a connecting rod or bushing such as a cylinder liner, just to name a few components; In principle, it can have any form that has low friction in or in a friction partner under oil lubrication should run.
  • the parameters peak height, core roughness depth and groove depth can be determined with the aid of the stylus method, which is known to the person skilled in the art, regardless of the method with which depressions have been introduced into the gray cast iron surface.
  • the evaluation of this procedure is standardized in EN ISO 13565-2.
  • the ISO 13565 itself describes the evaluation process for the peak height, core roughness depth, groove depth and other characteristics from the linear representation of the material component curve, which describe the increase of the material content of the surface with increasing depth of the roughness profile.
  • EN ISI 13565-2 results in combination with ISO 13565-1, which specifies the calculation of the roughness profile to determine these characteristics.
  • the reduced peak height is the average height of the protruding peaks above the roughness core profile.
  • the groove volume which is in the range of 10,000 to 35,000 m 3 / mm 2 , and a metal jacket volume of 500 to 5000 pm 3 / mm 2 , resulting from the investigation by means of white light interferometry, with the surface topographies interferometric accuracy and a high vertical resolution can be determined.
  • the method is known per se to the person skilled in the art and it is suitable precisely for the measurement of surfaces which have been subjected to honing, because the white light interferometry, because of the use of light from a spectrally broadband source, allows absolute measurement of the object heights and the result as an interferogram display.
  • sheet metal shells raised structures are referred to as "sheet metal shells.”
  • sheet metal shells of two types one of which designates the metal shells lying above or close to the adjacent contact surface plane, and results in a positive metal jacket volume, while the second type metal sheaths which are below the adjacent contact surface plane and lead to a negative metal jacket volume
  • the distinction between the two types is made by combining a robust reference surface with the original and the binarized groove image

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Graugussbauteil, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist, bereit. Das Graugussbauteil hat eine reibungsoptimierte Oberfläche mit einer - reduzierten Spitzenhöhe im Bereich von 0.05 bis 0.4 μm, einer - Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μm, und - reduzierten Riefentiefe im Bereich von 0.1 bis 0.8 μm. Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur reibungsoptimierenden Oberflächenbearbeitung einer Laufbahn für einen Reibungspartner eines Graugussbauteils.

Description

Reibungsoptimierte Oberflächenausführung von Graugussbauteilen
Die Erfindung betrifft ein Graugussbauteil, dessen Oberfläche zur Zusammenwirkung mit einem Reibungspartner reibungsoptimiert ist sowie ein Verfahren zur reibungs- optimierenden Oberflächenbearbeitung einer Laufbahn für einen Reibungspartner eines solchen Graugussbauteils.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Oberflächeneigenschaften wie die
Reibung von Bauteilen, die mit einem Reibungspartner zusammenwirken, zu optimieren. Bauteile dieser Art sind etwa die Paarung Zylinder und Kolben, deren Zusammenwirkung von höchster Relevanz im Hinblick auf die Gesamtleistung eines Verbrennungsmotors insbesondere auch aus ökologischer und ökonomischer Sicht ist. Der Ölverbrauch eines Verbrennungsmotors bestimmt sich wesentlich durch die Reibung, die durch
mechanische Oberflächenbearbeitung zur Einbringung öl-rückhaltender Strukturen verringert werden kann. Als Verfahren zur Behandlung kommen spanende Methoden wie die Honbearbeitung in Frage. Hierdurch werden Mikrostrukturen als„Taschen" eingebracht, in denen sich das Öl sammelt und einen Fluidfilm bildet, der den
Reibungspartner quasi aufschwimmen lässt und damit die Reibung ideal verringert.
Die Oberflächen solcher oberflächenbearbeiteter Bauteile, die mit einem Reibungspartner zusammenwirken, weisen werkstoffspezifische Strukturen neben den gewollten bearbeitungsspezifischen und ungewollten Strukturen auf, auf denen zusammenwirkend die tatsächlichen Reibeigenschaften basieren. Gröbere Oberflächen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind daher mit dem Nachteil der erhöhten Reibleistung verbunden.
Aus dem Stand der Technik sind daher Verfahren zur Bewertung von Strukturen auf Oberflächen - wie Honstrukturen auf Zylinderlaufbahnen - bekannt.
So wird in der DE 10 2007 008 604 A1 ein Verfahren beschrieben, das eine umfassende seriennahe, zerstörungsfreie Qualitätssicherung von Oberflächen, insbesondere von gehonten Zylinderlaufbahnen, ermöglichen soll. Dabei werden durch eine Strukturtren¬ nung Soll- und Fehlermerkmale, insbesondere Soll- und Fehlerstrukturen, getrennt, indem ein Originalbild zerlegt wird. Bei der Strukturtrennung werden gemessene 3D- Daten oder 3D-Bilder weiterverarbeitet. Aus dem Originalbild werden relevante Parameter extrahiert und durch objektive Bewertung funktionsrelevanter Strukturelemente mit Kenngrößen soll die Qualitätssicherung der gehonten Zylinderlaufbahnen aller Typen ermöglicht werden. Ferner wird die Möglichkeit der Toleranzvorgabe und der
Zeichnungseintragung für die Kenngrößen angeboten, um so auf einfache Art und Weise eine Identifizierung von Soll- und Fehlerstrukturen und die Bewertung deren Ausprägung ■ zu ermöglichen und gezieltes Eingreifen in einen Produktionsprozess zu erlauben.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Graugussbauteile mit reibungsoptimierter Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner zu schaffen, die reproduzierbare und vorbestimmte
Oberflächenstrukturen aufweisen, um die gewünschten Laufeigenschaften der
Reibungspartner zu leisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur reibungsoptimierenden Oberflächenbearbeitung einer Laufbahn für einen Reibungspartner eines Graugussbauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Graugussbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 3 gelöst, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist.
Weiterbildungen des Bauteils sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur reibungsoptimierenden Oberflächenbearbeitung einer Laufbahn für einen Reibungspartner eines Graugussbauteils,
umfasst die Schritte:
- Analysieren einer Oberflächenstruktur des Grauguss-Werkstoffs,
- experimentell und/oder simuliert Bearbeiten der Oberfläche,
- Vorgeben von Charakteristika bzw. Parameter der Oberflächenbearbeitung an Hand der experimentellen und/oder Simulationsergebnisse,
- Aufarbeiten einer Nutzung von Werkzeugen entsprechend den Charakteristika bzw.
Parameter und der angepassten Prozessabfolgen bei der Oberflächenbearbeitung,
- Oberflächenbearbeiten der Laufbahn des Graugussbauteils gemäß der aufgearbeiteten Nutzung und der angepassten Prozessfolge zur Schaffung der reibungsoptimierten
Oberfläche mit einer reduzierten Spitzenhöhe im Bereich von 0.05 bis 0.4 μηη, einer Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μηι und einer reduzierten Riefentiefe im Bereich von 0.1 bis 0.8 μητι. Vorzugsweise erfolgt das Oberflächenbearbeiten der Laufbahn des Graugussbauteils mechanisch, bevorzugt spanend, besonders bevorzugt durch Honen.
Das erfindungsgemäße Graugussbauteil hat eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner, wobei sich die erwünschten Oberflächeneigenschaften durch eine vorbestimmte reduzierte Spitzenhöhe ergeben, die im Bereich von 0.05 bis 0.4 μηη liegt, und weiter durch eine Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μιτι, und eine reduzierte Riefentiefe von 0.1 bis 0.8 μηη. Ein solches Graugussbauteil lasst sich vorteilhaft mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellen.
An Hand vorangegangener Oberflächenstrukturanalysen, die eben die
Oberflächenstruktur des Werkstoffs Grauguss berücksichtigen, und an Hand
experimenteller und/oder Simulationsergebnisse der Oberflächenbearbeitung können diese Charakteristika bzw. Parameter gezielt vorgegeben werden, um durch die entsprechende Nutzung der Werkzeuge und die angepasste Prozessabfolgen bei der Oberflächenbearbeitung diese so aufzuarbeiten, dass die angestrebte
Reibleistungsreduzierung der zusammenwirkenden Reibpartner erreicht wird.
Hieraus ergibt sich eine angestrebte Verbesserung des Verbrennungsmotors und in Folge wird eine Reduktion der C02-Emission erzielt.
Es lässt sich weiter vorteilhaft ein Riefenvolumen bestimmen, das im Bereich von 10000 bis 35000 m3/mm2 liegt, und ein Blechmantelvolumen von 500 bis 5000 μηη3/Γηηη2.
Diese Oberflächeneigenschaften der explizit angegebenen Spitzenhöhe, Kernrauhtiefe und reduzierte Riefentiefe, in Verbindung mit Riefenvolumen und Blechmantelvolumen, die auch als Kenngrößen zur Bewertung der Oberflächengüte herangezogen werden können, können durch eine Oberflächenbehandlung der reibungsoptimierten Oberfläche durch eine mechanische, insbesondere spanende Bearbeitung erhalten werden, wobei insbesondere Honbearbeitungsverfahren in Frage kommen, die dem Fachmann an sich bekannt sind und die sich vorteilhaft so hochpräzise ausführen lassen, dass der Erhalt der genannten Oberflächeneigenschaften bzw. Kenngrößen gesichert werden kann.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist aus Grauguss beschaffen, es kann ein
Zylinderkurbelgehäuse oder ein Kolben sein; ein Pleuel oder eine Buchse wie eine Zylinderlaufbuchse, nur um einige Bauteile zu nennen; es kann grundsätzlich jede Form haben, die in einem oder in der ein Reibungspartner unter Ölschmierung reibungsarm laufen soll.
Die Kenngrößen Spitzenhöhe, Kernrauhtiefe und Riefentiefe lassen sich, ungeachtet des Verfahrens, mit dem Vertiefungen in die Graugussoberfläche eingebracht worden sind, mit Hilfe des Tastschnittverfahrens bestimmen, das dem Fachmann bekannt ist.
Die Auswertung dieses Verfahren ist in der EN ISO 13565-2 genormt. Die ISO 13565 an sich beschreibt den Auswertevorgang für die Spitzenhöhe, Kernrauhtiefe, Riefentiefe und weitere Kenngrößen aus der linearen Darstellung der Materialanteilkurve, die die Zunahme des Materialanteils der Oberfläche mit zunehmender Tiefe des Rauheitsprofils beschreiben.
Die Anwendung der EN ISI 13565-2 ergibt sich in Kombination mit der ISO 13565-1 die die Berechnung des Rauheitsprofils zur Bestimmung dieser Kenngrößen näher angibt.
Durch diese Kenngrößen wird das Funktionsverhalten von mechanisch
hochbeanspruchten Oberflächen gekennzeichnet. Die Kenngrößen werden wie folgt definiert:
Unter der Kernrauhtiefe wird die Tiefe des Rauheitskernprofils verstanden.
Als reduzierte Spitzenhöhe wird die mittlere Höhe der herausragenden Spitzen über dem Rauheitskernprofil bezeichnet.
Als reduzierte Riefentiefe wird die mittlere Tiefe der Profiltäler unterhalb des
Rauheitskernprofils verstanden.
Die Berechnung der Kenngrößen ist in der ISO 13565-2 ISO-Norm genau ausgeführt. Durch die ISO 13565 schließlich ergibt sich die Vorschrift für eine Filtermethode für Oberflächen mit tiefen Tälern, die sich etwa durch Honbearbeitung ergeben, unter einem viel feiner bearbeiteten Plateau mit einem relativ geringen Welligkeitsanteil, wie es etwa durch die Graugussmaterialoberfläche repräsentiert wird. Weiter legt diese ISO-Norm auch die Führung des Tastsystems fest.
Das Riefenvolumen, das im Bereich von 10000 bis 35000 m3/mm2 liegt, und ein Blechmantelvolumen von 500 bis 5000 pm3/mm2, ergeben sich durch die Untersuchung mittels der Weisslichtinterferometrie, mit der Oberflächentopografien mit interferometrischer Genauigkeit und einer hohen vertikalen Auflösung bestimmt werden können. Das Verfahren ist dem Fachmann an sich bekannt und es eignet sich eben gerade zur Vermessung von Oberflächen, die einer Honbearbeitung unterzogen wurden, da die Weisslichtinterferometrie es wegen der Verwendung von Licht einer spektral breitbandigen Quelle erlaubt, die Objekthöhen absolut zu vermessen und das Resultat als Interferogramm darzustellen.
Ergänzend sei ausgeführt, dass als„Blechmantel" erhabene Strukturen im Riefenbereich bezeichnet werden. Es gibt dabei Blechmäntel zweier Typen, wobei ein erster die über oder nah an der benachbarten Kontaktflächenebene liegenden Blechmäntel bezeichnet, und in ein positives Blechmantelvolumen resultiert, während der zweite Typ Blechmäntel betrifft, die unter der benachbarten Kontaktflächenebene liegen und die zu einem negativen Blechmantelvolumen führen. Die Unterscheidung beider Typen erfolgt durch Kombination einer robusten Referenzfläche mit dem Original- und dem binarisierten Riefenbild

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur reibungsoptimierenden Oberflächenbearbeitung einer Laufbahn für einen Reibungspartner eines Graugussbauteils,
umfassend die Schritte:
- Analysieren einer Oberflächenstruktur des Grauguss-Werkstoffs,
- experimentell und/oder simuliert Bearbeiten der Oberfläche,
- Vorgeben von Charakteristika bzw. Parameter der Oberflächenbearbeitung an Hand der experimentellen und/oder Simulationsergebnisse,
- Aufarbeiten einer Nutzung von Werkzeugen entsprechend den Charakteristika bzw. Parameter und der angepassten Prozessabfolgen bei der
Oberflächenbearbeitung,
- Oberflächenbearbeiten der Laufbahn des Graugussbauteils gemäß der aufgearbeiteten Nutzung und der angepassten Prozessfolge zur Schaffung der reibungsoptimierten Oberfläche mit einer reduzierten Spitzenhöhe im Bereich von 0.05 bis 0.4 μητι, einer Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μιτι und einer reduzierten Riefentiefe im Bereich von 0.1 bis 0.8 μιτι.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
wobei
das Oberflächenbearbeiten der Laufbahn des Graugussbauteils mechanisch, bevorzugt spanend, besonders bevorzugt durch Honen erfolgt.
3. Graugussbauteil, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die reibungsoptimierte Oberfläche eine
-reduzierte Spitzenhöhe im Bereich von 0.05 bis 0.4 [im
- Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μηη
- eine reduzierte Riefentiefe im Bereich von 0.1 bis 0.8 μιη
hat.
4. Graugussbauteil, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die reibungsoptimierte Oberfläche
ein Riefenvolumen von 10000 bis 35000 m3/mmJ und
ein Blechmantelvolumen von 500 bis 5000 m3/mm2
aufweist.
5. Graugussbauteil nach Anspruch 3 und Anspruch 4.
6. Graugussbauteil nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die reibungsoptimierte Oberfläche mechanisch bearbeitet, bevorzugt spanend bearbeitet, besonders bevorzugt honbearbeitet ist.
7. Graugussbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Graugussbauteil ein Zylinderkurbelgehäuse oder eine Buchse, insbesondere eine Zylinderlaufbuchse ist.
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